采空区危险性（精选4篇）
采空区危险性 篇1
0 引言
近年来, 我国矿业得到了迅速发展, 但是, 矿产资源的开发利用, 也产生了较严重的生态破坏和环境污染等矿山环境地质问题。由采矿引起的采空区地面塌陷是矿山最主要的环境地质问题, 据不完全统计, 2001年度全国因采矿引起的塌陷有180处, 塌陷坑有1 600个, 塌陷面积有1 150平方公里。全国发生采矿塌陷灾害的城市有30个, 造成严重破坏的有25个, 仅采矿塌陷造成的经济损失达4亿元以上, 采矿业破坏土地面积达400万公顷。
《矿山环境保护与综合治理方案编制规范》要求对评估精度在二级以上的矿山采空区进行定量分析, 为矿山地质环境保护及采空区的防治工作提供科学依据。本文通过调查、收集以往地下开采是否引发地面塌陷的地质灾害危险性评估的矿山资料, 采用经验公式进行推导, 确定地面塌陷的影响评估范围, 在该评估影响范围内采用层次分析法进行多因素的采空区地面塌陷的危险性预测。
1 采空区地面塌陷破坏的表现形式
地面塌陷是指地表岩石或土层由于地下矿物质被采空或溶洞的继续发展或环境条件的改变而引起地表的下陷或塌落。地面变形是地面塌陷的主要破坏形式, 主要影响地表变形的因素有以下几个:
(1) 矿层因素
矿层埋深越大, 变形发展到地表所需的时间越长, 地表变形值越小, 变形比较平缓均匀, 但是地表影响范围增大。
(2) 岩性因素
上覆岩层强度高、分层厚度大时, 产生地表变形所需采空面积大, 破坏时间长, 甚至长期不产生地表变形;强度低、分层薄的岩层, 常产生较大的地表变形, 且速度快, 但变形均匀, 地表一般不出现裂缝;脆性岩层地表易产生裂缝。厚度大、塑性大的软弱岩层作为上覆层时, 地表变形不明显;层薄的软岩层作为上覆层时, 地表变形会很快并出现裂缝, 地表变形强烈。
(3) 松散堆积物
地表第四系的堆积物越厚, 则地表变形值增大, 但是应力释放空间较大, 变形平缓均匀。
(4) 构造因素
岩层节理裂隙发育会促进变形加快, 增大变形范围, 扩大地表裂缝区。断层发育地区会破坏地表移动的正常规律, 改变地表变形带的位置和大小且加剧地表变形。
(5) 地下水因素
地下水活动 (特别是抗水性弱的软弱岩层或节理裂隙发育的强透水岩层) 会加快变形速度, 扩大地表变形范围, 加剧地表变形。
(6) 开采条件因素
矿层的开采和顶板的处置方法以及采空区的大小、形状、工作面推进速度等, 均影响地表变形值、变形速度和变形的形式。
2 采空区地面塌陷影响范围的确定
在采空区地面影响的2 M范围内 (M为采矿巷道的长度) , 地表移动最活跃, 大部分塌陷裂缝在这里产生。当矿层埋深不变的情况下, 开采宽度越大, 地表变形的范围越大。本文采用经验公式进行推导, 通过计算来确定比较合理的评估影响范围。
2.1 缓倾斜矿层 (0～54°) 地面塌陷的预测
首先, 利用三角关系算出缓倾斜矿层的塌陷影响宽度D (计算示意图如图1、图2所示) :
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式中:D为塌陷影响宽度;H为开采中段顶板距地表的距离;h为松散层厚度;K为矿体长度;α、β、γ为图1和图2中所示的各角度。
若地面产生塌陷, 塌陷面积和采空面积均可视为长方形, 初步可简化为塌陷影响宽度 (D) 与长度 (L) 之积。地面塌陷的宽度和长度可用三角关系算出, γ一般取45°, 由此可计算出地面塌陷的面积 (S) 和位置。
2.2 急倾斜矿层 (55～85°) 地面塌陷的预测
同样, 利用三角关系算出急倾斜矿层的塌陷影响宽度D (计算示意图如图3所示) :
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式中:n为矿体的平均厚度;α、β、γ、δ为图3中所示的各角度。
对于急倾斜矿层, 地面塌陷影响长度 (L) 的计算方法与缓倾斜地面塌陷影响长度的计算相同, 同样塌陷面积 (S) 和采空面积均可视为长方形, 可简化为塌陷影响宽度 (D) 与长度 (L) 之积。
3 采空区地面塌陷的危险性量化
3.1 地面塌陷影响因素的选取
采空区地面塌陷是诸多因素综合作用的结果, 通过对评估影响范围地面塌陷的详细调查和对地面塌陷的破坏表现形式的研究并结合实际生产的工作经验, 选取6个因素作为地面塌陷危险性预测的参评子因素, 即顶板岩性、松散层厚度、开采深度、地形坡度、水文地质条件、采动程度。
3.2 地面塌陷危险性指数的确定
采空区塌陷的危险性指数由式 (3) 确定:
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式中:Z为采空区地面塌陷的危险性指数;Q为某类影响因素的权重 (见表1) ;Yi为某类影响因素的按量化等级所取的分值。
式 (3) 中影响因素的权重与影响因素的量化分值是通过当地专家打分所得, 可以根据2个影响因素相对重要度大小构造判断矩阵并进行一致性检验。本文对专家的评价指标构建判断矩阵并进行计算, 随机一致性比率 (CR) 小于0.1 (计算过程占用篇幅较大, 略) , 表明参评指标判断矩阵具有较高的一致性, 影响因素权重值分配合理, 可以使用。
3.3 地面塌陷危险性的划分
将要进行危险性预测的范围进行网格剖分并将网格单元编号, 在每个网格单元运用层次分析法 (层次分析法简称为AHP法, 是一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法, 适用于目标结构复杂且缺乏必要数据时使用) 量化各评判指标得到综合分析评估指数, 综合所有单元的综合分析评判指数建立评估区间, 一般按照规范要求将地面塌陷的危险性分为三级, 即Ⅰ级为危险性大区 (A区) 、Ⅱ级为中等危险性大区 (B区) 、Ⅲ级为稳定区 (C区) , 危险性区域预测的划分要遵循“区内相似, 区际相异”的原则并要符合评估区域的实际情况, 通过现场实际表现特征来检验分区, 各级分区主要特征如下:
(1) I级危险区指地面塌陷评估影响范围内的坑、裂缝多, 地表变形强烈。危害性严重, 评估区内产生明显的地表变形, 受胁人员多, 建筑物严重倾斜或损毁, 地表水系缺失, 植被毁坏严重。
(2) Ⅱ级危险区指地面塌陷评估影响范围内偶见塌陷坑、裂缝较多, 地表变形不明显。危害性较严重, 评估区内受胁人员较多, 建筑物局部开裂或植被毁坏。
(3) Ⅲ级稳定区指地面基本无塌陷坑、地裂缝, 地表形态变化较小或无变化。基本无受胁人员, 建筑物完整未破坏, 地表植被基本无毁坏。
4 结论
(1) 运用公式推导计算得到确定的采空区地面塌陷评估影响范围, 为危险性分区提供依据, 在该区域要加强地表变形监测工作, 地表变形较强烈时要拉铁丝网进行保护并树立警示标志, 禁止闲杂人员进入。
(2) 采空区地面塌陷是诸多因素综合作用的结果, 利用层次分析法结合专家打分赋予因素权值进行多因素分析预测, 可以比单靠顶板安全厚 (高) 度来进行危险性分区预测更加细化、准确、科学。
(3) 采空区地面塌陷评估影响范围的确定及危险性预测的指标量化采用的系数大多以地区经验为主, 符合地方实际情况, 易于在生产中推广应用。
(4) 采空区地面塌陷危险性预测评估具有局限性, 即使在采矿活动中不会引起地面塌陷, 但随着时间和条件的改变, 也可能对建设工程造成破坏。
摘要：根据收集的矿山数据资料, 运用三角函数分析法确定了采空区地面塌陷的影响范围;选取顶板岩性、松散层厚度、开采深度、地形坡度、水文地质条件、采动程度6个因素作为地面塌陷危险性预测的参评子因素, 建立了地面塌陷危险性评判模型及评判指标;运用层次分析法量化各评判指标得到综合分析评判指数, 将矿区地面塌陷划分为危险区、较危险区和稳定区三级。
关键词：矿山,采空区,地面塌陷,危险性预测,层次分析法
参考文献
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采空区危险性 篇2
矿井工作面采空区遗煤自燃是一个特别复杂的动态过程, 由煤内在自燃性与外因条件共同决定。对煤炭生产企业来说, 若井下发生了煤层自燃, 极易造成矿井火灾事故。
为实现矿井高产高效的目标, 矿井多采用综合机械化开采工艺。该工艺是一种高产、高效、低耗的采矿技术, 然而就目前矿井实际生产来说, 还存在着诸多问题, 而采空区遗煤自然发火就是其中的一个要害问题。为了保障有自然发火危险性矿井的安全生产, 就必须识别自然发火危险源, 并确定其危险程度。因此, 很有必要就采空区煤炭自然发火的危险程度进行合理地评价, 并根据其评价结果, 通过采取合理有效的技术措施来预防采空区自然发火, 达到安全生产的目的。
1 自然发火评价方法
在20世纪70年代末提出了一种定性和定量相结合、系统化、层次化的分析方法, 称为层次分析法, 它是半定性、半定量的问题转化为定量问题的一种行之有效的方法[1], 使人们的思维过程层次化。通过逐层比较多种关联因素来为分析、决策、预测或控制事物的发展提供定量的依据。结合煤矿实际情况, 可选择层次分析法作为采空区自然发火危险评价方法。
2 煤炭自然发火危险性评价指标体系
由于采空区遗煤自燃的复杂性, 使得影响自燃的诸多因素尚不能确切把握, 存有一定的模糊性。煤体自燃能否发生, 除取决于煤炭本身内在自燃性外, 还与煤层赋存、矿井地质条件、开拓开采条件以及通风条件等外界因素相关, 是一个受多种因素共同影响、相互作用的结果[2,3]。因此, 在确立煤炭自燃发火危险性评价指标体系前, 指标因素要同时包括定量指标及定性指标。根据煤自然发火机理及矿井生产实际, 建立煤自燃危险性综合评价层次结构模型, 如图1所示。其中, 工作面采空区自然发火危险程度U由3个分指标构成, 分别是煤自燃内在因素Y1和持续的漏风供氧条件Y2以及聚热散热条件Y3, 这3个分指标又由14个次一级分指标组成。
综合国内外专家对国内多个煤矿采空区遗煤自然发火危险性的相关研究, 通过模糊聚类分析, 煤体自然发火危险性可以划分为4级, 即I类:很危险, 危险隶属度>0.53;II类:危险, 危险隶属度0.53～0.3;III类:可能自燃, 危险隶属度0.3～0.15;IV类:不易自燃, 危险隶属度<0.15。
3 因素的层次分析
3.1 构造判断矩阵
关于如何确定成对比较矩阵A= (aij) n×n中元素aij的值, 采用1～9尺度 (1为等同, 3为略重要, 5为明显重要, 7为强烈重要, 9为极端重要, 2、4、6、8介于两者之间) , 即aij的取值范围是1, 2, ……, 9及其倒数1, 1/2, ……, 1/9, 按一定标度对各指标间的相对重要性进行定量化, 同时将标度值以方阵的方式排列, 构成判断矩阵[3]。
3.1.1 构造判断矩阵U-Y
将准则层Y中的3个因素Y1、Y2、Y3两两比较, 得成对比较矩阵, 如表1所示。
3.1.2 构造判断矩阵Y1-X、Y2-X及Y3-X
用同样的方法, 构造第三层对第二层的每一个准则Y1、Y2、Y3的判断矩阵, 得成对比较矩阵。
3.2 层次排序及其一致性检验
层次排序就是求解指标体系中某一层相应因素对于上一层因素相对权值的一个过程。具体计算方法及步骤如下。
3.2.1 判断矩阵的计算
3.2.2 向量
正规化
所得到的为所求的特征向量, 即相应因素的权生值。
3.2.3 矩阵最大特征根
式中, A为判断矩阵; (Aω) i是向量Aω的第i个分量。
3.2.4 一致性指标
3.2.5 检验判别式
当CR<0.10时, 可认为判断矩阵具有满意的一致性, 检验通过;否则应对判断矩阵进行调整。其中RI为随机一致性指标均值, 1～10阶矩阵随机一致性指标均值RI分别为0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45、1.49。
3.2.6 总排序一致性检验判别
当CR<0.10时, 可认为层次总排序具有满意的一致性, 检验通过;否则应对判断矩阵进行调整。
3.2.7 各因素单排序及权重计算
影响工作面采空区自然发火危险程度的3个指标因素Y1、Y2、Y3对于目标层U的权重计算及一致性检验如表2所示。单个因素X1～X3对于Y1的权重计算及一致性检验如表3所示。单个因素X4～X11对于Y2的权重计算及一致性检验如表4所示。单个因素X12～X14对于Y3的权重计算及一致性检验如表5所示。
3.2.8 层次总排序以及权重计算
X1、X2、……X13、X14等14个单独因素对于目标层U的权重计算及一致性检验如表6所示。
4 模糊综合评价
由于影响采空区自燃危险因素较多, 评价因素体系呈多层次结构, 因此采空区自然发火危险应采用多级综合评价模型来评价。将煤自燃内在因素Y1、持续漏风供氧条件Y2及聚热散热条件Y3 3个因素分别作为3个评价指标集, 首先就每一评价指标的单因素进行评价, 之后就评价结果进行评价指标集间的高层次综合评价, 从而得出目标层U的模糊综合评价值, 最后参考已建立好的评价集V{很危险、危险、可能自燃、不自燃}对模糊评价值进行分析比较, 得到最终的模糊综合评价结果。
分层次评价过程具体如下:
中层次指标Yk对目标层U的评价值:
式中, n为第k个指标因素中单指标个数;ωkj为Yk的第j个单指标对于Yk的权重, 即Σωkj=1;γkj是Yk的第j个单指标对于U的隶属度, γkj通过专家对各因素进行等级评价的方法得出。
具体应用:某煤矿3#煤层各单独因素对于U的隶属度X1、X2、……X13、X14分别为0.4、0.2、0.3、0.4、0.3、0.4、0.2、0.4、0.5、0.2、0.2、0.3、0.2、0.3。依据上述评价方法, 该煤矿的3#煤层中间层次指标Yk对目标层U的评价值计算结果依次为:
目标层U的总评价值:
式中, ωk为第k个指标因素对于目标U的权重。
则该矿井3#煤层采空区自然发火危险性U的总评价值为0.32。根据自燃危险性等级可知, 该矿井3#煤层采空区自然发火危险性属于II类, 即危险。
5 结论
通过层次分析法建立了矿井采空区自然发火危险性指标体系以及评价模型, 通过实例对采空区自然发火危险性进行了定量评价, 其评价结果与矿井生产实际相符。这表明该方法能较好地对矿井采空区自然发火危险性进行评价, 进而为保障矿井安全提供参考。
摘要：应用层次分析理论, 选择影响采空区煤自然发火的主要因素进行分析评价, 依据层次分析法确定了采空区煤自燃各影响因素的权重系数, 评定了采空区煤自燃各影响因素, 最后进行综合评价。通过实例应用表明, 3#煤层为自然发火危险煤层, 与矿井实际相符, 这为保障矿井安全提供参考。
关键词：层次分析法,自然发火,采空区,模糊评价
参考文献
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采空区危险性 篇3
在矿业迅速发展的同时, 各种灾害事故也呈同步上升的趋势, 严重危及人民的生命财产安全和国民经济可持续发展。采空区灾害是矿山常见的主要灾害之一, 其后果往往造成巨大的财产损失和人员伤亡[1]。只有深入研究矿山危险理论才能清楚的了解灾难发生的整个过程, 保护矿山以及人民的生命财产。采空区危险研究的一个关键问题就是从本质上对危险的认识和描述。由于危险发生过程本身的复杂性和多样性, 要从危险发生的表面找出危险发生的规律非常的困难, 只有建立危险演变模型才可以对危险发生的整个过程进行结构化和形象化的描述, 有助于人们认识和理解危险发生的本质原因和危险发生的过程。
在综合考虑采空区危险演变的特点的前提下, 本文提出了基于模糊Petri网的采空区危险演变模型 (Mined-out Area Hazard Evolution Model, MHEFPN) 。由于危险的产生和传播是一个典型的动态行为过程, 基于模糊Petri网的采空区危险演变模型 (MHEFPN) 将知识表示和推理融为一体, 符合采空区危险演变的实际情况, 很好的模拟了危险的产生和传播的过程。
2 采空区危险演变模型的定义
定义1 MHEFPN定义为八元组:MHEFPN={P, T, D, I, O, μ, M, β}。其中, P={p1, p2…pn}, 表示有限库所集合;T={t1, t2, …tm}, 表示有限变迁集合;D={d1, d2…dn}, 表示有限命题集合;|P|=|D|;I:P->T为变迁的输入矩阵, 表示库所结点到变迁结点的连接情况和每一个连接的权系数。当Pi是Tj的输入时, λij等于Pi到Tj的输入弧上的权重;当Pi不是Tj的输入, λij=0, 其中i=1, 2..n;j=1, 2…m;O:T->P为变迁的输出矩阵, 表示变迁结点到库所结点的连接情况和每个输出连接的可信度。当Pi是Ti的输出时, γij等于Pi到Ti的输入弧的可信度, 当Pi不是Ti的输出时, γij=0, 其中i=1, 2..n;j=1, 2….m;μ=[μ1, μ2…μm]T为变迁的阈值, μj∈[0, 1], j=1, 2, 3, …m;M∈[m1, m2, …mn]T为定义在库所集P上的状态向量, 表示各库所的可信度, Mi=[0, 1], i=1, 2, 3…n;M0=[m1, m2, …mn]T表示库所结点在推理开始时的初始标记状态, 即已知命题的可信度, 未知命题的可信度定义为0。β:P→D;表示每个库所与命题的映射。
3 MHEFPN的推理算法
定义2设A、B、C、D、E[3]均为n×m为矩阵。
MHEFPN的推理算法如下:
设某个推理过程中有n个命题、m个推理规则, 表现在MHEFPN中则有n个库所、m个变迁, FPN的输入矩阵I、输出矩阵O、变迁的阈值向量μ和状态向量M。其推理公式如下[4]:
当Mk==Mk-1时, 推理结束。
4 实例计算
采空区灾害的发生是一种典型的危险演变过程, 就以对采空区灾害的分析来验证危险演变模型[5]。
推理规则如下:
规则1:If p1 (0.4) and p2 (0.4) and p4 (0.2) Then (i=0.6) p8 (0.8) ;
规则2:If p2 (0.3) and p3 (0.4) and p4 (0.3) Then (i=0.4) p9 (0.9) ;
规则3:If p2 (0.4) and p4 (0.2) and p5 (0.4) Then (i=0.3) p10 (0.8) ;
规则4:If p6 (0.6) and p7 (0.4) Then (i=0.4) p11 (0.8) ;
规则5:If p8 (0.2) and p9 (0.4) and p10 (0.4) Then (i=0.5) p12 (0.9) ;
规则6:If p11 (0.6) and p12 (0.4) Then (i=0.5) p13 (1) ;
其中p1表示临近开采破坏, p2表示冲击地压破坏, p3表示矿柱质量差, p4表示水侵蚀破坏严重, p5表示采空区面积过大, p6表示采空区为填充或者填充的质量差, p7表示采空区没有采取其他的有效措施, p8表示采空区侧帮破坏严重, p9表示采空区的矿柱破坏严重, p10表示采空区顶板破坏严重, p11表示采空区治理情况很差, p12表示采空区的关键位遭到严重破坏, p13表示采空区塌陷。此过程的模糊Petri网模型如图1所示。
用形式推理算法迭代计算, 最终结果如下:
由于第3、4次迭代结果相同, 所以推理结束。最终结果如下:
从结果可以看出, 采空区治理情况很差的可信度为0.496, 采空区的关键位遭到严重破坏的可信度为0.509, 采空区塌陷的可信度为0.552.。
推理总共进行了四轮, 推理过程中各库所的可信度的变化就反映了在采空区危险演变的各个环节中, 各个因素所处的状况和所起的作用的大小。从结果数据可以看出采空区治理情况和采空区关键位遭破坏的程度与采空区塌陷密切相关。
5 结论
采空区危险演变是一个十分有研究意义的课题。文中在模糊Petri的基础上提出了采空区危险演变模型 (MHEFPN) , 并给出了一种形式化的推理算法, 推理过程完全采用矩阵运算的形式进行。推理过程中得到的数据可以清晰的描述危险因素所处的状况以及所起作用的大小。此危险演变模型具有良好的通用性, 适用于采空区以及采空区意外的大部分危险情况的模拟。
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采空区危险性 篇4
我国大部分的矿山开采都是采用空场法进行的, 特别是房柱法、留矿法等采矿法, 形成了大量的采空区[1,2,3], 加之我国以前采矿技术装备落后和管理混乱, 民采泛滥, 不但造成了矿产资源的浪费, 同时由于民采形成了大量的采空区, 而开采中很能掌握这些空区群的分布形态及位置[4], 这些不明采空区对矿山的安全生产造成了严重的威胁, 采空区已成为矿山主要危险源之一[1]。
目前我国大部分的矿山已进入深部开采, 且在浅部存在着大量未处理的采空区, 比如安徽铜陵冬瓜山铜矿、甘肃陇南冬瓜山铜矿、广西凤凰山银矿、湖南常宁水口山铅锌矿、广东大宝山矿等, 严重影响着矿山的安全生产。采空区的危害主要表现在两个方面, 一是空区坍塌造成大面积的冒落, 造成人员伤亡和设备损坏, 若离地表较近或是坍塌范围比较大, 造成地表沉降开裂, 对地面建筑的安全性构成威胁[5];二是空区容易积水, 造成工作面透水事故[6]。
因此, 采空区评价及处理就显得尤为重要, 在这方面, 一些学者也做了相关研究, 主要为空区精确探测以及空区稳定性安全评价[7,8,9], 主要方法有灰色理论[10]、未确知测度理论[11]、层次分析法等, 由于空区稳定性受多种因素的影响, 具有不确定性和高隐藏性。
本文用可拓模型对采空区安全性进行评价, 运用熵权法确定个评价因素的权重, 改进了传统可拓模型采用常权确定权重的弊端, 其评价结果可作为空区安全评价及应急处理的重要依据。
1 熵权物元可拓模型的建立
运用熵权物元可拓法对采空区危险性评价可按以下步骤进行:
1) 确定采空区危险性等级评价影响指标体系。
2) 确定经典域R0、节域Rp。根据采空区危险性分级标准, 假设采空区危险性等级分为z个等级, 评价指标有n个, 那么经典域物元为:
式中:N0j (j=1, 2, …, z) 表示采空区危险等级;ck (k=1, 2, …, n) 表示采空区危险性评价指标;v0jk表示第j个等级中, 第k个指标无量纲化处理后的量值域;a0jk和b0jk表示危险性等级评价指标量值域的下限值和上限值。
取各指标在全体级别中所对应取值范围中的最小值和最大值, 构成采空区危险性等级评价的节域物元为:
式中:Np为采空区危险等级的全体;vpk为ck的最大取值范围, apk和bpk表示采空区危险性所有等级中所对应的评价指标取值范围内得最大值和最小值。
3) 确定待评采空区物元Rm, 假设待评价的采空区有m个, 那么第i条待评采空区物元表示为:
式中:Ri为n维采空区物元, Ni (i=1, 2, …, m) 为第i个待评价的采空区, vik为ck的实际测量值。
4) 对各评价指标进行无量纲化处理, 由于各个指标间的单位不同, 不便于分析, 为此, 需要对各指标进行无量纲化处理, 处理方法如下:
式中:vik表示无量纲化处理后的第i个采空区的第k个采空区的评价值, vkmax、vkmin分别表示为第k个指标所对应取值的上限值和下限值。
5) 计算采空区危险性等级评价指标的关联度。第i个采空区第k个指标关于采空区危险性等级j的关联函数为:
6) 应用熵权法确定各评价指标的权重, 熵权的确定步骤如下:
(1) 根据式 (5) 和式 (6) 的计算结果, 构建矩阵如下:
(2) 根据熵的定义确定影响因素指标的熵:
(3) 计算各个评价因素的熵权wk:
7) 确定待评价采空区危险性等级间的加权关联度。待评价采空区物元Ni关于等级j的加权后的关联度为:
8) 根据关联度最大识别原则, 判定待评采空区危险等级t0。
3 熵权物元可拓模型在采空区危险性等级评价中的应用
3.1 地下采空区危险性评价指标体系
根据以往研究, 选取了13项因素作为采空区危险性评价的指标, 即岩体结构等, 分别用C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13表示。其中, 岩体结构, 地质构造、地下水、围岩受地下水影响的程度、开采扰动影响、相邻采空区影响、矿柱设计尺寸及布置情况、采矿工程布置采用半定量化的方法进行取值, 岩石质量指标、空区跨度、空区暴露面积、空区高度、埋藏深度采用现场实测数据, 各指标分级标准见表1所示, 对各评价指标进行分级取值, 评判集为{X1, X2, X3, X4}, 即表示I、II、III、IV级, 分别代表非常危险、危险、一般危险、危险性较低。
3.2 确定采空区物元的经典域R0
根据表1所示, 将I-IV级采空区危险性评价指标无量纲化处理后的数据作为经典域物元, 那么经典域R0为:
3.3 确定采空区物元的节域Rp
根据采空区危险性等级评价指标的整体取值范围确定节域Rp为:
3.4 待评采空区物元
广东大宝山矿位于粤桂海西坳陷区的东侧, 该矿山经多年开采。已形成大量的采空区, 加之民采比较严重, 矿区内大大小小的空区数以百计, 造成井下开采地压显现严重, 一些矿柱出现了破裂破坏, 顶板出现垮塌等现象, 结合大宝山矿水文地质条件、开采现状、及地质构造特征、空区结构特征等参数, 选取了代表性的十个空区进行了评价, 各采空区评价指标取值见表2。
3.5 计算待评采空区危险性等级的关联度
以采空区1为例, 根据式 (5) 和式 (6) , 计算各评价指标关于危险度等级的关联度, 具体见表3。
根据公式 (8) ~ (10) , 可求出各指标的权重为: (0.01, 0.2, 0.04, 0.05, 0.07, 0.07, 0.04, 0.07, 0.02, 0.23, 0.12, 0.05) , 根据公式 (11) , 可求出采空1与个危险性等级加权后的关联度, 加权后的关联度见表4。
根据最大关联度判别原则, 采空区1的危险性等级为IV级, 属于危险性较低。用同样的方法可计算出采空区2~采空区10危险性等级加权后的关联度, 计算结果见表5。表中带下划线的数据为最大关联度, 根据最大关联度识别原则, 可依次判定各采空区的危险性等级, 判别结果见表5, 采空区2和采空区10危险性等级为I级, 与现场实际一致, 该采空区暴露面积较大, 存在很大的安全隐患, 已通过崩落上下盘围岩充填采空区的方法进行了空区处理, 空区4、6、8评价等级为II级, 与现场实际情况较为符合, 出现了采空区局部垮塌的现象, 已通过建立监测系统和封闭管理的方式, 保证采空区的安全。其他的采空区评价等级为III级和IV级, 出现了顶板冒落等现象, 采取了封闭的管理措施。
4 结论
1) 将熵权法与可拓学理论结合起来, 建立采空区危险性等级评价熵权物元可拓模型, 并将其应用于工程实际, 计算结果显示该方法能够准确的判别采空区的危险性等级, 量化采空区出现垮塌的可能性, 从而为地下采空区处理与防治提供了重要依据。
2) 由于传统的物元可拓模型在评价中采用常权确定各评价指标与评判等级间的权重, 不符合实际情况, 本文通过熵权理论确定权重, 克服了传统物元可拓模型在评价中的局限性和不足。
3) 该方法为采空区危险性等级评价提供了一条有效的技术途径, 分析结果与现场一致, 并根据评价结果采取了相应的空区处理方案, 取得了较好的效果。
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